板式塔

9.8板式塔•9.8.1板式塔的结构•逐级接触式，气液传质在板上液层空间内进行；两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。•溢流堰：维持塔板上一定高度的液层，以保证在塔板上气液两相有足够的接触面积；•降液管：作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道;•板式塔特点：生产能力大，塔板效率稳定，操作弹性大，造价低，检修、清洗方便。板式塔的设计意图•1、在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，以减小传质阻力；•2、在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供较大的传质推动力。•板式塔：总体上气液呈逆流流动；每块塔板上呈均匀错流。9.8.2塔板的类型及性能评价•9.8.2.1塔板类型•塔板分为①有降液管式塔板（也称溢流式塔板或错流式塔板）：气液两相呈错流方式接触，其塔板效率高，具有较大的操作弹性，使用广泛。②无降液管式塔板（也称穿流式塔板或逆流式塔板）：气液两相呈逆流接触，其板面利用率高，生产能力大，结构简单，但效率较低，操作弹性小，应用较少。•本节只讨论有降液管式塔板。•1.泡罩塔板•泡罩塔板是工业上应用最早的塔板，其结构如图所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种。泡罩有Φ80、Φ100、Φ150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。•操作时，液体横向流过塔板，靠溢流堰保持板上有一定厚度的液层，齿缝浸没于液层之中而形成液封。升气管的顶部应高于泡罩齿缝的上沿，以防止液体从中漏下。上升气体通过齿缝进入液层时，被分散成许多细小的气泡或流股，在板上形成鼓泡层和泡沫层，为气液两相的传热和传质提供大量的界面。泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞，不易发生漏液现象；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。•2.筛孔塔板•筛孔塔板简称筛板，其结构如图示。塔板上开有许多均匀的小孔，一般分为小孔径3～8mm和大孔径10～25mm。筛孔在塔板上为正三角形排列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。•操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层，气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下，通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。•筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，传质效率高。•其缺点是筛孔易堵塞，操作弹性小，不宜处理易结焦、粘度大的物料。•应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。•3.浮阀塔板•浮阀塔板具有泡罩塔板和筛孔塔板的优点，应用广泛。浮阀的类型很多，国内常用的有如图示的F1型、V-4型及T型等。•浮阀塔板的结构特点是在塔板上开有若干个阀孔，每个阀孔装有一个可上下浮动的阀片，阀片本身连有几个阀腿，插入阀孔后将阀腿底脚拨转90°，以限制阀片升起的最大高度，并防止阀片被气体吹走。阀片周边冲出几个略向下弯的定距片，当气速很低时，由于定距片的作用，阀片与塔板呈点接触而坐落在阀孔上，在一定程度上可防止阀片与板面的粘结。•操作时，由阀孔上升的气流经阀片与塔板间隙沿水平方向进入液层，增加了气液接触时间，浮阀开度随气体负荷而变，在低气量时，开度较小，气体仍能以足够的气速通过缝隙，避免过多的漏液；在高气量时，阀片自动浮起，开度增大，使气速不致过大。•浮阀塔板的优点是结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高，压降及液面落差小。•其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。三种塔板的比较:•1.生产能力：筛板浮阀泡罩；•2.压降：泡罩浮阀筛板；•3.操作弹性：浮阀泡罩筛板；•4.造价：泡罩浮阀筛板；•5.板效率：浮阀、筛板相当泡罩。•4.喷射型塔板•上述几种塔板，气体是以鼓泡或泡沫状态和液体接触，当气体垂直向上穿过液层时，使分散形成的液滴或泡沫具有一定向上的初速度。若气速过高，会造成较为严重的液沫夹带，使塔板效率下降，因而生产能力受到一定的限制。为克服这一缺点，近年来开发出喷射型塔板，大致有以下几种类型。•（1）舌型塔板•舌型塔板的结构如图所示，在塔板上冲出许多舌孔，方向朝塔板液体流出口一侧张开。舌片与板面成一定的角度，有18°、20°、25°三种（一般为20°），舌片尺寸有50×50mm和25×25mm两种。舌孔按正三角形排列，塔板的液体流出口一侧不设溢流堰，只保留降液管，降液管截面积要比一般塔板设计得大些。•操作时，上升的气流沿舌片喷出，其喷出速度可达20～30m/s。当液体流过每排舌孔时，即被喷出的气流强烈扰动而形成液沫，被斜向喷射到液层上方，喷射的液流冲至降液管上方的塔壁后流入降液管中，流到下一层塔板。舌型塔板的优点是：生产能力大，塔板压降低，传质效率较高；缺点是：操作弹性较小，气体喷射作用易使降液管中的液体夹带气泡流到下层塔板，从而降低塔板效率。•（2）浮舌塔板•如图所示，与舌型塔板相比，浮舌塔板的结构特点是其舌片可上下浮动。因此，浮舌塔板兼有浮阀塔板和固定舌型塔板的特点，具有处理能力大、压降低、操作弹性大等优点，特别适宜于热敏性物系的减压分离过程。•（3）斜孔塔板•斜孔塔板的结构如图所示。在板上开有斜孔，孔口向上与板面成一定角度。斜孔的开口方向与液流方向垂直，同一排孔的孔口方向一致，相邻两排开孔方向相反，使相邻两排孔的气体向相反的方向喷出。这样，气流不会对喷，既可得到水平方向较大的气速，又阻止了液沫夹带，使板面上液层低而均匀，气体和液体不断分散和聚集，其表面不断更新，气液接触良好，传质效率提高。•斜孔塔板克服了筛孔塔板、浮阀塔板和舌型塔板的某些缺点。斜孔塔板的生产能力比浮阀塔板大30%左右，效率与之相当，且结构简单，加工制造方便，是一种性能优良的塔板。9.8.2.2塔板的性能评价•1.生产能力大，即单位塔截面积上气体和液体的通量大；•2.分离效率高，即完成一定的分离任务所需的板数少；•3.阻力小，压降低，即气体通过单板的压降低，能耗低，对于精馏系统可降低釜温，尤其适用于热敏性物系的分离；•4.操作弹性大，即当操作的气液流量发生波动时仍能维持板效率的稳定；•5.满足工业对生产设备的一般要求，即结构简单、造价低、安装维修方便等。•常见塔板的性能比较见P143表9-2。9.8.3塔板的结构•9.8.3.1塔板结构参数一、鼓泡区二、溢流区三、安定区四、无效区降液管受液区溢流堰安定区开孔区俯视图•9.8.3.2塔板的溢流装置一、降液管的类型及溢流方式（一）降液管的类型（二）降液管溢流方式（a）U形流（b）单溢流（c）双溢流（d）阶梯式双溢流二、溢流装置的结构参数9.8.4板式塔的流体力学性能与操作特性•9.8.4.1板式塔的流体力学性能•1.塔板上气液两相的接触状态•塔板上气液两相的接触状态是决定板上两相流流体力学及传质和传热规律的重要因素。如图所示，当液体流量一定时，随着气速的增加，可以出现几种典型的接触状态。•（1）鼓泡接触状态•当气速较低时，气体以鼓泡形式通过液层。由于气泡的数量不多，形成的气液混合物基本上以液体为主，气液两相接触的表面积不大，传质效率很低。•特点：•液体为连续相，气体为分散相；•传质在气泡表面进行；•湍动程度低，传质阻力大。•（2）泡沫接触状态•当气速继续增加，气泡数量急剧增加，气泡不断发生碰撞和破裂，此时板上液体大部分以液膜的形式存在于气泡之间，形成一些直径较小，扰动十分剧烈的动态泡沫，在板上只能看到较薄的一层液体。由于泡沫接触状态的表面积大，并不断更新，为两相传热与传质提供了良好的条件，是一种较好的接触状态。•特点：•液体为连续相，气体为分散相；•传质在不断更新的液膜表面进行；•湍动程度高，接触面积大，传质阻力小。•（3）喷射接触状态•当气速继续增加，由于气体动能很大，把板上的液体向上喷成大小不等的液滴，直径较大的液滴受重力作用又落回到板上，直径较小的液滴被气体带走，形成液沫夹带。•特点：•气体为连续相，液体为分散相；•传质在不断更新的液滴表面进行；•因液滴不断形成和聚集，因此传质面积大大增加。•如上所述，泡沫接触状态和喷射状态均是优良的塔板接触状态。因喷射接触状态的气速高于泡沫接触状态，故喷射接触状态有较大的生产能力，但喷射状态液沫夹带较多，若控制不好，会破坏传质过程，所以多数塔均控制在泡沫接触状态下工作。2、气体通过塔板的压降塔板压降干板压降液层阻力压降增大接触时间↑板效率↑板数↓设备费↓塔釜温度↑能耗↑操作费↑保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。板上充气液层的静压力液体的表面张力影响塔板压降Δpp的因素：•气量↑→Δpp↑•液量↑→Δpp↑•开孔率↑→u0↓→Δpp↓•孔径↓→Δpp↑•板上清液层高度↑→Δpp↑•液体表面张力↑→Δpp↑3.塔板上的液面落差•产生原因：液体在塔板上横向流动时要克服流动阻力（摩擦阻力、形体阻力）。•不良后果：液面落差会导致气流分布不均，从而造成漏液现象，使板效率下降。•影响因素：塔结构复杂、塔径↑、流量↑→液面落差↑有溢流塔板1、塔板上的异常操作现象1）漏液漏液两相在塔板上的接触时间↓板效率↓控制：漏液量不大于液体流量的10%。漏液气速：漏液量达到10%的气体速度。——板式塔操作的气速下限原因：气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀安定区9.8.4.2板式塔的操作特性2）雾沫夹带影响因素•空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小•塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小现象：液滴随气体进入上层塔板。后果：过量液沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降控制：液沫夹带量eV＜0.1kg(液)/kg(气)。3）液泛液泛夹带液泛降液管液泛原因：气液两相流速过大影响因素：流量、塔板结构板间距大液泛速度高2、塔板的负荷性能图V•漏液线（气体流量下限线，线1）•雾沫夹带线（气体流量上限线，线2）•液相负荷下限线（线3）•液相负荷上限线（线4）•液泛线（线5）1，2，3，4，5五条线所包围的区域，既是一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。3、负荷性能图的分析VC操作点操作极限•操作弹性:两极限的气体流量之比•操作点位于操作区内的适中位置,可获得稳定良好的操作效果•同一层塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同•物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变例：加大板间距或增大塔径可使液泛线上移，增加降液管截面积可使液相上限线右移，减少塔板开孔率可使漏液线下移。〖说明〗•操作弹性：上、下限操作极限的气体流量之比称为塔板的操作弹性，操作弹性越大的塔越好，一般要求大于2～3。•板型不同，负荷性能图中所包括的边界线也有所不同。•同一板型但设计不同，线的相对位置也会不同。•过原点，斜率为V/L的直线称操作线•设计时，应使操作点尽量位于操作区的中央，若操作点紧靠某一条边界线，则负荷稍有变动，塔的正常操作即被破坏。9.8.5板式塔工艺尺寸的计算•9.8.5.1塔有效高度的计算1、有效高度2、塔板效率（1）全塔效率ET（2）单板效率EM（3）点效率E03、塔板间距的确定TpHNZ1PTTNNE245.049.0LTaE11nnnnMVyyyyEnnnnMLxxxxE1111nnOVyyyyE•在常压连续精馏塔内分离某理想二元混合物。已知进料量为100kmol/h，其组成为0.4（摩尔分数，下同）；馏出液流量为40kmol/h，其组成为0.95；泡点进料，操作回流比为最小回流比的1.6倍；每层塔板的液相默弗里板效率EML为0.5；在本题范围内气液平衡方程为y=0.6x+0.35；测得进入该塔某层塔板的液相组成为0.35。试计算离开该层塔板的液相组成。9.8.5.2板式塔直径的计算1、塔径的计算u=（0.6～0.8）umax